ΑΤΕΙ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΕΡΓΩΝ ΥΠΟΔΟΜΗΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Επιβλέπων Καθηγητής: Κονιτόπουλος Γεώργιος Μελετητές: Χατζηαντωνίου Κων/νος Χρυσικού Χρυσάνθη Θεσσαλονίκη Δεκέμβριος 2013
Περίληψη Η παρούσα εργασία αφορά τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και πιο συγκεκριμένα, τα φωτοβολταϊκά συστήματα. Αρχικά, περιγράφεται η έννοια της ενέργειας και γίνεται εισαγωγή στις ανανεώσιμες μορφές ενέργειας. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται το φωτοβολταϊκό σύστημα αναλύοντας τον τρόπο λειτουργίας του, τα πλεονεκτήματά του, τη χρήση του τώρα και την αναμενόμενη στο μέλλον. Επιπρόσθετα, περιγράφεται η συνδεσμολογία ενός φωτοβολταϊκού συστήματος, οι προϋποθέσεις εγκατάστασής του καθώς και η διαδικασία τοποθέτησης του φωτοβολταϊκού συστήματος σε κτίριο ή οικόπεδο. Ιδιαίτερη αναφορά γίνεται στα αυτόνομα φωτοβολταϊκά συστήματα. Η ενασχόληση με την παρούσα εργασία κέντρισε το ενδιαφέρον μας και αποτέλεσε την αφορμή της δημιουργίας εξ αρχής ενός δικού μας φωτοβολταϊκού συστήματος για προσωπική χρήση. Έτσι λοιπόν, στο τελευταίο κομμάτι της εργασίας περιγράφονται τα βήματα που ακολουθήσαμε για την επίτευξη του στόχου μας. Ευχαριστίες Ευχαριστώ θερμά τον επιβλέποντα καθηγητή εφαρμογών του Αλεξάνδρειου ΤΕΙ Θεσσαλονίκης κ. Γεώργιο Κονιτόπουλο, για την εποικοδομητική συνεργασία που μου παρείχε, καθώς και για την πολύτιμη και ουσιαστική καθοδήγηση και βοήθεια του κατά την εκπόνηση της εργασίας, αλλά και κατά την διάρκεια της φοίτησής μου. Επίσης, τη στενή φίλη και συνάδελφο Χρυσικού Χρυσάνθη για την άψογη συνεργασία μας. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τους γονείς μου και τα αδέρφια μου για τη στήριξη που μου παρέχουν καθ όλη την διάρκεια των σπουδών μου. Χατζηαντωνίου Κωνσταντίνος 2
Θεωρώ υποχρέωσή μου πριν από την παρουσίαση της παρούσας εργασίας να ευχαριστήσω τους ανθρώπους που βοήθησαν ώστε να ολοκληρωθεί αυτή η προσπάθεια. Ευχαριστώ ιδιαιτέρως τον επιβλέποντα καθηγητή μου, κ. Γεώργιο Κονιτόπουλο Καθηγητής Εφαρμογών, Γεωτεχνικής Μηχανικής και Συγκοινωνιακής Υποδομής του τμήματος Πολιτικών Έργων Υποδομής του Τεχνολογικού Εκπαιδευτικού Ιδρύματος Θεσσαλονίκης. Σημαντική ήταν η βοήθεια του φίλου και συναδέλφου Κωνσταντίνου Χατζηαντωνίου, ο οποίος μοιράστηκε μαζί μου την αγωνία της συγγραφής της παρούσας εργασίας. Τον ευχαριστώ ιδιαίτερα για την πολύτιμη βοήθειά του και το χρόνο που αφιερώσαμε σε συζητήσεις και ανταλλαγή απόψεων. Στήριγμα σε αυτή τη διαδικασία αποτέλεσαν οι γονείς μου και τα αδέρφια μου. Τους ευχαριστώ πολύ για την υπομονή και την υποστήριξή τους όλο αυτόν τον καιρό που επέτρεψαν την επιτυχή διεκπεραίωση των σπουδών μου. Σημαντικές και διαφωτιστικές ήταν, επίσης, οι συζητήσεις και οι παρατηρήσεις των φίλων μου Σπύρου Πατσαντά, Μηχανολόγου Μηχανικού, και του Δημήτριου Οικονόμου. Τους ευχαριστώ για τη βοήθειά τους στο πρακτικό κομμάτι της εργασίας. Χρυσικού Χρυσάνθη 3
Περιεχόμενα Εισαγωγή... 6 Κεφάλαιο 1 Ενέργεια... 8 1.1. Έννοια και μορφές ενέργειας... 8 1.2. Ιστορική αναδρομή των ενεργειακών πηγών... 11 1.3. Οι πηγές ενέργειας σήμερα... 11 1.4. Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας... 12 1.5. Προδιαγραφές και νομοθεσία της Ευρωπαϊκής Ένωσης... 15 Κεφάλαιο 2 Φωτοβολταϊκό σύστημα... 18 2.1. Ιστορική αναδρομή... 18 2.2. Τι είναι το φωτοβολταϊκό σύστημα... 20 2.3. Τύποι φωτοβολταϊκών συστημάτων... 21 2.4. Τρόπος λειτουργίας του φωτοβολταϊκού συστήματος... 28 2.5. Χρήση φωτοβολταϊκών... 29 2.5.1. Στην Ελλάδα... 29 2.5.2. Στον κόσμο... 41 2.6. Πλεονεκτήματα φωτοβολταϊκών συστημάτων... 42 2.7. Το μέλλον των φωτοβολταϊκών... 46 Κεφάλαιο 3 Εγκατάσταση φωτοβολταϊκού συστήματος... 48 3.1. Συνδεσμολογία φωτοβολταϊκού συστήματος... 48 3.1.1. Φωτοβολταϊκό πάνελ... 48 3.1.2. Αντιστροφέας τάσης... 50 3.1.3. Ρυθμιστής φόρτισης και μπαταρία... 51 3.2. Προϋποθέσεις για την εγκατάσταση ενός φωτοβολταϊκού συστήματος 51 4
3.3. Τοποθέτηση φωτοβολταϊκού συστήματος... 52 3.3.1. Διαδικασία τοποθέτησης φωτοβολταϊκού συστήματος... 56 3.3.2. Τοποθέτηση σε κτίριο... 58 3.3.3. Τοποθέτηση σε οικόπεδο... 60 3.4. Αυτόνομα Φωτοβολταϊκά Συστήματα... 62 Κεφάλαιο 4 Κατασκευή φωτοβολταϊκού συστήματος... 65 Συζήτηση Συμπεράσματα... 73 Βιβλιογραφία... 74 5
Εισαγωγή Από τα παλιότερα χρόνια συναντάμε αναφορές σε διάφορες μορφές ενέργειας. Πλέον, η συζήτηση για την ενέργεια έχει πάρει μια διαφορετική μορφή, για τις Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ), το Περιβάλλον καθώς και την Αειφόρο ανάπτυξη. Με το πέρας των χρόνων, οι απαιτήσεις των ανθρώπων για ενέργεια συνεχώς αυξάνονται με αποτέλεσμα την καταστροφή του περιβάλλοντος. Όσον αφορά στους φυσικούς πόρους - πηγές που χρησιμοποιούμε για να την αποκτήσουμε, η ενέργεια διακρίνεται σε ανανεώσιμη και μη ανανεώσιμη ή συμβατική. Στη σημερινή εποχή οι περιβαλλοντικές καταστροφές εμφανίζονται όλο και πιο συχνά. Οι ανθρώπινες επεμβάσεις τείνουν να περιοριστούν στην πιο άφθονη μορφή ενέργειας, την ηλιακή. Η ηλιακή ενέργεια αποτελεί μια ήπια μορφή ενέργειας που συνεχώς κερδίζει έδαφος στην χώρα μας. Η Ελλάδα διαθέτει ηλιοφάνεια σε υψηλά ποσοστά, γεγονός που διευκολύνει την αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας για τη μετατροπή της σε ηλεκτρική. Η αξιοποίηση της ηλιακής ακτινοβολίας γίνεται με τη χρήση κατάλληλης τεχνολογίας όπως είναι τα φωτοβολταϊκά συστήματα. Η εγκατάσταση των φωτοβολταϊκών συστημάτων γίνεται σε στέγες, οροφές, επικαλύψεις κτιρίων, αλλά και σε ανεκμετάλλευτες εκτάσεις γης. Τα φωτοβολταϊκά συστήματα αποτελούν μια από τις εφαρμογές των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας που χρησιμοποιείται κατά κύριο λόγο στη χώρα μας. Το φωτοβολταϊκό σύστημα μετατρέπει κατευθείαν την ηλιακή ενέργεια σε ηλεκτρική. Ένα φωτοβολταϊκό σύστημα αποτελείται από πάνελ (ένα ή περισσότερα) φωτοβολταϊκών στοιχείων και με τις απαραίτητες συσκευές και διατάξεις γίνεται η μετατροπή σε ηλεκτρική ενέργεια. Το μεγαλύτερο ποσοστό ενέργειας που μπορεί να απορροφήσει ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο είναι το 25% της ενέργειας που δέχεται, όμως συνήθως το ποσοστό είναι λιγότερο από 15%. Το παραπάνω συμβαίνει διότι το ηλιακό φως που πέφτει στο στοιχείο μεταφέρει διαφορετικά επίπεδα ενέργειας και 6
κάποια από αυτά δεν έχουν αρκετή ενέργεια για να μπορέσουν να ελευθερώσουν ηλεκτρόνια. Στην παρούσα εργασία μας ενδιαφέρει ο τρόπος λειτουργίας και η διαδικασία εγκατάστασης ενός φωτοβολταϊκού συστήματος, καθώς και τα οφέλη που έχει για τον ενδιαφερόμενο που επιθυμεί να το τοποθετήσει. Προτού όμως γίνει περιγραφή των στοιχείων αυτών, ο αναγνώστης εισάγεται στην έννοια της ενέργειας. Πιο συγκεκριμένα, στο πρώτο κεφάλαιο της εργασίας γίνεται περιγραφή των μορφών ενέργειας γενικότερα, και ειδικότερα αναφερόμαστε στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Στο δεύτερο κεφάλαιο πραγματοποιείται αρχικά η ιστορική αναδρομή της ανακάλυψης του φωτοβολταϊκού στοιχείου. Στη συνέχεια περιγράφεται ο το φωτοβολταϊκό σύστημα και οι διάφοροι τύποι που υπάρχουν. Τέλος, αναλύεται ο τρόπος λειτουργίας και τα πλεονεκτήματα του φωτοβολταϊκού συστήματος, καθώς και η χρήση του από τους ενδιαφερόμενους καταναλωτές στην Ελλάδα και τον κόσμο. Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται μία πιο συγκεκριμένη ανάλυση του φωτοβολταϊκού συστήματος. Γίνεται αναφορά, στον τρόπο σύνδεσης του φωτοβολταϊκού συστήματος, καθώς και των υλικών που χρησιμοποιούνται για να συνδεθεί ένα φωτοβολταϊκό σύστημα, στις προϋποθέσεις που πρέπει να πληρούνται για να εγκατασταθεί ένα φωτοβολταϊκό σύστημα και στη διαδικασία τοποθέτησης του φωτοβολταϊκού συστήματος είτε αυτό εγκατασταθεί σε κτίριο είτε σε οικόπεδο. Τέλος, περιγράφονται τα αυτόνομα φωτοβολταϊκά συστήματα, τα οποία τοποθετούνται σε ποικίλες εγκαταστάσεις. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα βήματα κατασκευής ενός φωτοβολταϊκού συστήματος. Η ενασχόλησή μας με το συγκεκριμένο πολύ ενδιαφέρον θέμα δεν θα μπορούσε παρά να μας κινήσει την περιέργεια και τη διάθεση να κατασκευάσουμε εμείς οι ίδιοι ένα δικό μας αυτόνομο φωτοβολταϊκό σύστημα για προσωπική μας χρήση. Η διαδικασία που πραγματοποιήθηκε παρουσιάζεται στο τελευταίο κεφάλαιο της εργασίας. 7
Κεφάλαιο 1 Ενέργεια 1.1. Έννοια και μορφές ενέργειας Κάθε φυσικό σύστημα περιέχει (ή εναλλακτικά αποθηκεύει) μία ποσότητα που ονομάζεται ενέργεια. Ενέργεια, συνεπώς, είναι η ικανότητα ενός σώματος ή συστήματος να παραγάγει έργο. Οποιαδήποτε μορφή δράσης, από τα παιδικά παιχνίδια μέχρι τη λειτουργία των μηχανών και από το μαγείρεμα τροφών μέχρι τη γραμμή παραγωγής στο εργοστάσιο, προϋποθέτει κατανάλωση ενέργειας. Ανάλογα με τον τρόπο που έχει αποκτηθεί, ανταλλαχθεί ή αποθηκευτεί, μπορούμε να μιλήσουμε για πολλές μορφές ενέργειας όπως η μηχανική ενέργεια, η ηλεκτρική ενέργεια, η πυρηνική ενέργεια, η θερμική ενέργεια και η χημική ενέργεια. Η κύρια μονάδα μέτρησης της ενέργειας, της θερμότητας και του έργου στο σύστημα μονάδων SI είναι το Joule (J) (J=Ν*m, δηλαδή 1 Joule = 1 Newton * 1 Meter). Η κινητική και η δυναμική ενέργεια θεωρούνται ως οι δύο μορφές της μηχανικής ενέργειας. Κατά την κίνηση ενός σώματος ή φορτίου σε συντηρητικό πεδίο δυνάμεων, και εφόσον δεν υπάρχουν τριβές, η δυναμική ενέργεια μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια και το αντίστροφο, το άθροισμά τους όμως είναι πάντα σταθερό και ίσο με τη μηχανική ενέργεια που αρχικά είχε το σώμα. Κινητική ενέργεια είναι η ενέργεια που έχει ένα σώμα όταν κινείται και αναφέρεται στην ικανότητά του να παράγει έργο. Εξαρτάται από τη μάζα και την ταχύτητα ενός κινούμενου σώματος. Ως Δυναμική ενέργεια ορίζεται η ενέργεια που κατέχει ένα σώμα λόγω της θέσεως ή της κατάστασής του, είναι δηλαδή η δυνατότητα του σώματος να παράγει έργο επειδή βρίσκεται μέσα σε κάποιο πεδίο δυνάμεων. Συγκεκριμένα, η δυναμική ενέργεια διακρίνεται σε ενέργεια θέσεως (π.χ. ένα σώμα σε πεδίο βαρύτητας που έχει τη δυνατότητα να κινηθεί σε χαμηλότερη θέση παράγοντας έργο) και ενέργεια μορφής ή αλλιώς παραμόρφωσης, που εμφανίζεται όταν συστρέφουμε, 8
συμπιέζουμε, τεντώνουμε ή λυγίζουμε ένα υλικό αλλάζοντας τη φυσική του μορφή (π.χ. το παραμορφωμένο ελατήριο ή λάστιχο). Στην περίπτωση αυτή, το σώμα μπορεί να παράγει έργο επανερχόμενο στη "φυσική" του μορφή. Πυρηνική ή Ατομική ενέργεια ονομάζεται η ενέργεια που απελευθερώνεται όταν μετασχηματίζονται ατομικοί πυρήνες. Είναι, δηλαδή, η δυναμική ενέργεια που είναι εγκλεισμένη στους πυρήνες των ατόμων λόγω της αλληλεπίδρασης των σωματιδίων που τα συνιστούν. Η πυρηνική ενέργεια προέρχεται από τη σχάση του πυρήνα ενός ατόμου σε δύο ή περισσότερα σωματίδια από την πρόσκρουση με νετρόνια, με επακόλουθο την απελευθέρωση της δύναμης. Εφόσον οι πυρηνικές αντιδράσεις είναι ελεγχόμενες (όπως συμβαίνει στην καρδιά ενός πυρηνικού αντιδραστήρα), μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να καλύψει ενεργειακές ανάγκες. Η Θερμική ενέργεια αποτελείται από το σύνολο της κινητικής ενέργειας των σωματιδίων που συγκροτούν τα υλικά σώματα, καθώς αυτά κινούνται στο εσωτερικό τους. Με τον όρο θερμότητα εννοούμε ειδικά την ενέργεια που μεταφέρεται από ένα σώμα υψηλής θερμοκρασίας σε άλλο με χαμηλότερη θερμοκρασία, με αποτέλεσμα να αυξάνεται η κινητική ενέργεια των σωματιδίων του. Η θερμική ενέργεια μπορεί να είναι και αποτέλεσμα της ηλιακής ενέργειας. Η Ηλεκτρική ενέργεια αναφέρεται στην κινητική ενέργεια των κινούμενων ηλεκτρονίων (ηλεκτρικό ρεύμα), λόγω της ύπαρξης διαφοράς δυναμικού στα άκρα ενός αγωγού. Η Χημική ενέργεια ορίζεται ως το σύνολο της δυναμικής ενέργειας που απαιτήθηκε για τη συγκρότηση μορίων χημικών ουσιών από διάφορα άτομα, κάτω από την αλληλεπίδραση ηλεκτρομαγνητικών δυνάμεων. Η χημική ενέργεια αποδίδεται συνήθως ως θερμική ή ηλεκτρική, όταν τα μόρια διασπώνται και πάλι σε άτομα ή μετασχηματίζεται στους οργανισμούς σε θερμική και κινητική, με βιολογικούς μηχανισμούς, και ονομάζεται ζωική ενέργεια. 9
Μεγάλη ποικιλία μορφών ενέργειας βρίσκεται πίσω από τα διαφορετικά φυσικά φαινόμενα. Η ενέργεια, με την οποία τροφοδοτείται ο πλανήτης μας, προέρχεται σχεδόν εξ ολοκλήρου από τον Ήλιο. Ο ήλιος παρέχει στη γη θερμότητα με την εκπεμπόμενη ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία σε ημερήσια βάση και η οποία με τη σειρά της είναι υπεύθυνη για μια σειρά δράσεων που οδηγούν στην ενέργεια από τη βιομάζα, το νερό, τον άνεμο, τα κύματα και τα θαλάσσια ρεύματα (δευτερογενής ηλιακή ενέργεια). Επίσης, η ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει στη γη εδώ και εκατομμύρια χρόνια έχει δημιουργήσει «αποθηκευμένη» ενέργεια, με την μετατροπή των φυτικών και ζωικών υλών σε πετρέλαιο, γαιάνθρακα και φυσικό αέριο, δηλαδή σε ορυκτά ή φυσικά καύσιμα. Αυτή η διεργασία, βεβαίως, γίνεται και σήμερα, αλλά σε πολύ μικρό ρυθμό που δεν μπορεί να συγκριθεί με τον τεράστιο ρυθμό που η σημερινή κοινωνία καταναλώνει αυτούς τους εξαντλήσιμους ενεργειακούς πόρους. Οι ενεργειακοί πόροι που υπάρχουν «αποθηκευμένοι» στη γη αποτελούν την κύρια ενέργεια (capital energy), η οποία μπορεί να υποδιαιρεθεί στις παρακάτω έξι κατηγορίες: 1) πρωτογενής ενέργεια (primary energy) είναι η ενέργεια που προέρχεται κατευθείαν από τον ήλιο ή τη γη (ορυκτά και πυρηνικά καύσιμα), 2) δευτερογενής ενέργεια (secondary energy) είναι το σύνολο των μορφών ενέργειας που προκύπτουν από τη μετατροπή πρωτογενούς ενέργειας μέσω χημικών, φυσικών, μηχανικών, θερμικών ή πυρηνικών δράσεων (π.χ. βενζίνη, ηλεκτρική ισχύς) για να χρησιμοποιηθούν ως χρήσιμη ενέργεια, 3) ανανεώσιμη ενέργεια (renewable energy) είναι οι μορφές δυναμικής ενέργειας, οι οποίες ανανεώνονται σε σταθερό ρυθμό και σχετικά γρήγορα, όπως η ηλιακή ενέργεια, η αιολική ενέργεια, η ενέργεια από βιομάζα, η γεωθερμική ενέργεια, η υδροηλεκτρική ενέργεια καθώς και η ενέργεια από θάλασσες και ωκεανούς, 4) μη ανανεώσιμη ενέργεια (nonrenewable energy) είναι οποιαδήποτε μορφή δυναμικής ενέργειας που δεν εμπίπτει στον ορισμό της ανανεώσιμης ενέργειας, με παράδειγμα τα ορυκτά καύσιμα, 5) ενέργεια από τη διεργασία της καύσης (combustion process), όπου πολλές από τις δυναμικές μορφές ενέργειας θα πρέπει να αξιοποιηθούν μέσω 10
της διεργασίας της καύσης για να μετατρέψουν την αποθηκευμένη ενέργεια σε έργο, και 6) ενέργεια που δεν περιλαμβάνει διεργασία καύσης (noncombustion process), όπως η υδροϊσχύς και η αιολική ενέργεια, οι οποίες αποτελούν μορφές δυναμικής ενέργειας (Ανδρίτσος, 2008). 1.2. Ιστορική αναδρομή των ενεργειακών πηγών Από την αρχαιότητα ο άνθρωπος χρησιμοποίησε διάφορες πηγές ενέργειας, μεταξύ των οποίων το ξύλο, ο άνθρακας, το πετρέλαιο, το φυσικό αέριο και ο ηλεκτρισμός. Παρακάτω περιγράφονται συνοπτικά κάποια στοιχεία για την ιστορική τους χρήση και ανακάλυψη. Το Ξύλο αποτελεί το κυρίαρχο καύσιμο όλων των εποχών, χρησιμοποιείται ακόμη και σήμερα, ιδιαίτερα στις αναπτυσσόμενες χώρες. Ο Άνθρακας, τον οποίο χρησιμοποιούσαν οι κάτοικοι της Ουαλίας κατά την εποχή του χαλκού, αργότερα οι Ρωμαίοι, οι Ινδιάνοι στη Β. Αμερική, οι Κινέζοι, και οι Άγγλοι από τον 12 ο μ.χ. αιώνα. Ο άνθρακας αποτελούσε την κύρια πηγή ενέργειας και ήταν βασική αιτία της ώθησης που δόθηκε στην βιομηχανική επανάσταση. Το Πετρέλαιο αντλήθηκε πρώτη φορά το 1857 στο Αμβούργο και το 1859 στην Πενσυλβανία, αν και ήταν γνωστό σε πολλούς πολιτισμούς, όπως η Εγγύς Ανατολή και η Κίνα. Η πρώτη γεώτρηση του Φυσικό αερίου έγινε το 1865 στη Νέα Υόρκη και αρχικά χρησιμοποιούνταν για φωτισμό. Παλαιότερα είχα χρησιμοποιηθεί στην Κίνα και την Ιαπωνία). Για την Ηλεκτρική ενέργεια είναι γνωστό ότι ο Edison ανακάλυψε το 1882 τον ηλεκτρικό λαμπτήρα, ενώ η εταιρία του είχε ιδρυθεί από το 1878 (Ανδρίτσος, 2008). 1.3. Οι πηγές ενέργειας σήμερα Το σύνολο των πηγών ενέργειας, που ο άνθρωπος έχει στη διάθεσή του διακρίνεται σε δύο κύριες κατηγορίες, στις πηγές εκείνες που βασίζονται σε υπάρχοντα αποθέματα μέσα στο στερεό φλοιό της Γης, με συγκεκριμένη 11
διάρκεια ζωής, και σε αυτές που καθημερινά και αέναα μας παρέχονται σε βαθμό ήπιας εκμετάλλευσης. Στην πρώτη κατηγορία ανήκουν τα ορυκτά καύσιμα (πετρέλαιο, φυσικό αέριο, κάρβουνο), αναφερόμενα και ως συμβατικά καύσιμα και η μη ήπια μορφή ενέργειας, η πυρηνική ενέργεια. Οι πηγές ενέργειας της δεύτερης κατηγορίας έχουν βασική τους προέλευση τον ήλιο. Η ενέργεια του ήλιου που φτάνει στη γη με τη μορφή ακτινών, εκτός από τη γενικότερη συμβολή της στη δημιουργία, ανάπτυξη και διατήρηση της ζωής στον πλανήτη, μας παρέχει ακατάπαυστα ενέργεια, με διάφορες μορφές αξιοποίησης. Άμεσα θερμαίνει, εξατμίζει μεγάλες ποσότητες θαλασσινού νερού και συντηρεί τον γνωστό φυσικό κύκλο, δημιουργώντας λίμνες και ποτάμια, που αποτελούν πρόσθετη πηγή ενέργειας (υδατοπτώσεις). Θέτει σε κίνηση τις αέριες μάζες της ατμόσφαιρας (αιολική ενέργεια), δημιουργεί τα κύματα (ενέργεια κυμάτων) και συμβάλλει στη δημιουργία των θαλάσσιων ρευμάτων. Απορροφάται από συνδυασμένα υλικά και παράγει ηλεκτρισμό (φωτοβολταϊκό φαινόμενο). Τέλος, συμβάλλει στην ανάπτυξη της χλωρίδας. Η καύση δε των φυτικών προϊόντων παράγει ενέργεια (βιομάζα) (Φραγκιαδάκης, 2009). 1.4. Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας Ως ανανεώσιμες πηγές ενέργειας ορίζονται ενεργειακές πηγές όπως ο ήλιος, ο άνεμος, η βιομάζα, οι οποίες υπάρχουν σε αφθονία στο φυσικό μας περιβάλλον. Είναι οι πρώτες μορφές ενέργειας που χρησιμοποίησε ο άνθρωπος σχεδόν αποκλειστικά μέχρι τις αρχές του 19 ου αιώνα, οπότε και στράφηκε στην έντονη χρήση του άνθρακα και των υδρογονανθράκων. Το ενδιαφέρον για την αξιοποίηση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και την ανάπτυξη αξιόπιστων και οικονομικά αποδεκτών τεχνολογιών που δεσμεύουν το δυναμικό τους, παρουσιάστηκε αρχικά μετά την πρώτη πετρελαϊκή κρίση του 1973, ενισχύθηκε μετά τη δεύτερη κρίση του 1979 και παγιώθηκε κατά την τελευταία δεκαετία, μετά τη συνειδητοποίηση των παγκόσμιων περιβαλλοντικών προβλημάτων. Τα πλεονεκτήματα των 12
ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και, κυρίως, η ουσιαστική τους συμβολή στην ενεργειακή απεξάρτηση της ανθρωπότητας από τους εξαντλήσιμους ενεργειακούς πόρους δικαιολογούν αυτή τη μεγάλη στροφή. Οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας, έχουν κύρια γενεσιουργό αιτία την ηλιακή ακτινοβολία, με εξαίρεση εκείνη που αφορά στην ενέργεια των παλιρροϊκών κινήσεων που οφείλονται στη δράση της βαρύτητας, κυρίως της Σελήνης, πάνω στους υδάτινους όγκους που καλύπτουν την επιφάνεια της Γης, καθώς και τη γεωθερμική, όπου η ηλιακή ακτινοβολία παίζει δευτερεύοντα ρόλο (Φραγκιαδάκης, 2009). Οι «ήπιες μορφές ενέργειας», όπως έχει επικρατήσει να ονομάζονται οι μορφές ενέργειας που προέρχονται από την εκμετάλλευση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, ταξινομούνται στις ακόλουθες πέντε κατηγορίες: 1. Ηλιακή Ενέργεια: Η ηλιακή ακτινοβολία με τη βοήθεια της τεχνολογίας γίνεται εκμεταλλεύσιμη. Η ενέργεια που παίρνουμε αποτελεί την ηλιακή ενέργεια. Τα συστήματα που χρησιμοποιούνται για τη μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας σε εκμεταλλεύσιμη ενέργεια διακρίνονται σε: α) ενεργητικά ηλιακά συστήματα: μετατρέπουν την ηλιακή ακτινοβολία απευθείας σε θερμότητα, β) παθητικά ηλιακά και υβριδικά συστήματα: αφορούν κατάλληλες αρχιτεκτονικές λύσεις με παράλληλη χρήση κατάλληλων δομικών υλικών, ώστε να επιτρέπεται η απευθείας εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας για θέρμανση, δροσισμό ή φωτισμό, και γ) φωτοβολταϊκά ηλιακά συστήματα: μετατρέπουν την ηλιακή ενέργεια απευθείας σε ηλεκτρική ενέργεια. 2. Αιολική Ενέργεια: είναι η κινητική ενέργεια του ανέμου, η οποία μετατρέπεται αρχικά σε μηχανική ενέργεια και στη συνέχεια σε άλλες εκμεταλλεύσιμες μορφές ενέργειας. 3. Υδραυλική Ενέργεια: είναι η ενέργεια που προέρχεται από τις υδατοπτώσεις. Η ενέργεια αυτή μετασχηματίζεται αρχικά σε μηχανική ενέργεια και στη συνέχεια σε άλλες μορφές, κυρίως σε ηλεκτρική ενέργεια. 13
4. Γεωθερμική Ενέργεια: είναι θερμική ενέργεια που προέρχεται από το εσωτερικό της Γης και εμπεριέχεται σε φυσικούς ατμούς, σε επιφανειακά ή υπόγεια θερμά νερά και σε θερμά ξηρά πετρώματα. 5. Βιομάζα: είναι αποτέλεσμα της φωτοσυνθετικής δραστηριότητας, η οποία μετασχηματίζει την ηλιακή ενέργεια, με μια σειρά διεργασιών, σε φυτικούς οργανισμούς χερσαίας ή υδρόβιας προέλευσης. Οι φυτικοί αυτοί οργανισμοί αποτελούν τη βιομάζα και μετατρέπονται, κυρίως με καύση, σε άλλες μορφές ενέργειας (Κουτσούμπας, 2006). 6. Ηλεκτρομαγνητική ενέργεια: αποτελείται από κύματα ηλεκτρικής και μαγνητικής ενέργειας, τα οποία διαδίδονται (ακτινοβολούνται) στον ελεύθερο χώρο. Η περιοχή στην οποία αναπτύσσονται τα κύματα αυτά ονομάζεται ηλεκτρομαγνητικό πεδίο. Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα εμφανίζονται με πολλές διαφορετικές μορφές. Για παράδειγμα, τα ραδιοκύματα, τα μικροκύματα, το ορατό φως αλλά και οι ακτίνες X αποτελούν μορφές ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Όλα τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα διαδίδονται με την ταχύτητα του φωτός (http://www.eekt.gr/linkclick.aspx?fileticket=kgiakhidtnc%3d&tabid= 102). Η ανάπτυξη των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και κυρίως της αιολικής και της φωτοβολταϊκής ηλεκτρικής ενέργειας, προωθείται και ενισχύεται, με ισχυρά κίνητρα και υψηλούς ρυθμούς, σ όλο τον αναπτυγμένο κόσμο. Οι ανεξάντλητες (ανανεώσιμες) πηγές ενέργειας έχουν κύρια χαρακτηριστικά το ότι είναι άφθονες και περιβαλλοντολογικά καθαρότερες. Η αλόγιστη χρήση, αφενός των συμβατικών καυσίμων (ρύπανση περιβάλλοντος), αφετέρου της πυρηνικής ενέργειας (πυρηνικά ατυχήματα) αποτελούν σοβαρή αιτία για τα οικολογικά προβλήματα (Φραγκιαδάκης, 2009). Παρότι η ανανεώσιμη ενέργεια διαδραματίζει σημαντικό ρόλο, είναι σημαντικό να μην παραβλεφθούν ορισμένες δυσκολίες. Η κύρια δυσκολία που αντιμετωπίζουν σήμερα οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, προκειμένου να ενσωματωθούν στην καθημερινή ζωή, είναι το σχετικά υψηλό κόστος της παραγόμενης kwh τους, σε σχέση με το κόστος της kwh πετρελαίου. 14
Δεδομένου ότι πρόκειται για αραιές μορφές ενέργειας (μικρής ροής ενέργειας), μέχρι στιγμής, τουλάχιστον, έχουν υψηλό κόστος ανά μονάδα παραγόμενης ενέργειας τελικής χρήσης. Μεταξύ των δύο κύριων τρόπων παραγωγής ανανεώσιμης ενέργειας, αιολικής και φωτοβολταϊκής, η αιολική εμφανίζεται σήμερα οικονομικότερη και άρα περισσότερο προσιτή, κυρίως με τη μορφή αιολικών πάρκων, συνδεδεμένων στο δίκτυο της ΔΕΗ (Τσιλιγιρίδης, 2008β). Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας χρειάζονται εφεδρικές συμβατικές πηγές ενέργειας. Η ηλεκτροπαραγωγή από αιολική και ηλιακή ενέργεια είναι διακοπτόμενη και απρόβλεπτη. Κλιματικοί παράγοντες είναι δυνατό να προξενήσουν μεγάλες αυξομειώσεις στη διαθεσιμότητα βιομάζας και υδροηλεκτρικής ενέργειας από το ένα έτος στο επόμενο. Τέλος, η ανάπτυξη διαφοροποιημένου και ασφαλούς ενεργειακού συστήματος, όπου να περιλαμβάνεται υψηλότερο μερίδιο ανανεώσιμης ενέργειας, επί του παρόντος, εξακολουθεί να αποτελεί, εν γένει, πολιτική υψηλότερου κόστους. Εμφανίζονται ήδη βελτιωμένα εργαλεία ανάλυσης και διαχείρισης που θα καταστήσουν δυνατή την ανάπτυξη της κατάλληλης αντιμετώπισης αυτών των προκλήσεων και των σημαντικών εμποδίων. Στα εργαλεία αυτά περιλαμβάνονται: πλέον εξελιγμένα μοντέλα κοστολόγησης που λαμβάνουν υπόψη τον αντίκτυπο των υψηλότερων μεριδίων ανανεώσιμης ενέργειας στο συνολικό κόστος του ηλιακού συστήματος καθώς εξελιγμένα εργαλεία μετεωρολογικών προβλέψεων που είναι δυνατό να ενσωματωθούν σε σύγχρονα συστήματα ενεργειακής διαχείρισης ώστε ο εφοδιασμός να ανταποκρίνεται καλύτερα στη ζήτηση (Κορωναίος, 2012). 1.5. Προδιαγραφές και νομοθεσία της Ευρωπαϊκής Ένωσης Τα φωτοβολταϊκά πλαίσια πρέπει να πληρούν τις προδιαγραφές της Ευρωπαϊκής Ένωσης, έχοντας υποβληθεί στις παρακάτω δοκιμασίες (Φραγκιαδάκης, 2009): 1. Θερμικών κύκλων 2. Θερμικού σοκ 3. Ψύξης υγρασίας 15
4. Ηλεκτρικής μόνωσης 5. Κρούσεως χαλαζόπτωσης 6. Μηχανικής αντοχής και στρέψης 7. Περιβάλλοντος άλμης 8. Ακτινοβολιών και έκθεσης στο νερό 9. Ηλεκτρικού πεδίου Η Ευρωπαϊκή Ένωση (ΕΕ) έχει μεγάλα σχέδια για το μέλλον των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, και πολύ προσοχή έχει κατευθυνθεί προς την παραγόμενη αιολική ενέργεια, με τα έθνη όπως Αγγλία και η Γερμανία να ανοίγουν το δρόμο παράγοντας το μέγιστο δυνατό από την αιολική ενέργεια στην Ευρώπη. Για αυτόν τον λόγο, το πιο πρόσφατο πλάνο της ευρωπαϊκής επιτροπής είναι να μειώσει την εκπομπή άνθρακα με την επένδυση ενός μεγάλου μέρους των 50 δισεκατομμυρίων ευρώ στην έρευνα και την ανάπτυξη της ηλιακής ενέργειας. Το μεγαλύτερο πρόβλημα πάνω στο οποίο δουλεύει η NREL (εθνικό εργαστήριο ανανεώσιμης πηγής ενέργειας) είναι το πώς θα αποθηκεύσουν μέρος της θερμότητας που παράγεται όσο υπάρχει το φως της μέρας, προκειμένου αυτή να απελευθερωθεί αργότερα. Οι καλές προθέσεις είναι πάντα ευπρόσδεκτες, δεν αρκούν όμως για να ανατρέψουν μία πραγματικότητα που όλοι συμφωνούν πως πρέπει να αλλάξει. Γι αυτό και η στοχοθέτηση και οι κανονιστικές διατάξεις με αυστηρά χρονοδιαγράμματα αποτελούν μια ουσιαστική εγγύηση για να μπορέσουμε να έχουμε πρακτικά αποτελέσματα. Στην κατεύθυνση αυτή κινείται και η κοινοτική οδηγία 2001/77 «Για την προώθηση της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας στην εσωτερική αγορά ηλεκτρικής ενέργειας». Στην εσωτερική αγορά ηλεκτρισμού της Ευρωπαϊκής Ένωσης στρατηγικός στόχος είναι η δημιουργία ενός πλαισίου για τη σημαντική αύξηση μεσοπρόθεσμα του προερχόμενου από ανανεώσιμες πηγές ηλεκτρισμού στην Ευρωπαϊκή Ένωση και η διευκόλυνση της πρόσβασης του σε αυτόν (εσωτερική αγορά ηλεκτρικής ενέργειας). 16
Η προώθηση του ηλεκτρισμού από Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας αποτελεί πρώτη προτεραιότητα. Η Λευκή Βίβλος για τις Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας του 1997 ανέδειξε τον καίριο ρόλο τους σε σχέση με την ασφάλεια της τροφοδοσίας, για την απασχόληση και το περιβάλλον, και πρότεινε έναν ενδεικτικό στόχο διπλασιασμού του μεριδίου των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας στο ενεργειακό ισοζύγιο της Ευρωπαϊκής Ένωσης από 6 σε 12% μέχρι το 2010. Ο στόχος αυτός επικυρώθηκε από το Συμβούλιο το 1998. Ειδικότερα, όσον αναφορά τα περιβαλλοντικά ζητήματα, η αυξημένη χρήση ηλεκτρισμού από Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας θα αποτελέσει ένα σημαντικό τμήμα των δράσεων που θα απαιτηθούν ώστε να εκπληρωθούν οι δεσμεύσεις που υιοθετήθηκαν από την Ευρωπαϊκή Ένωση στο Κιότο σχετικά με την μείωση των εκπομπών των αερίων του θερμοκηπίου. Τα κυριότερα μέτρα για την αντιμετώπιση του φαινομένου είναι η εξοικονόμηση ενέργειας, η αύξηση της ενεργειακής απόδοσης, η αξιοποίηση των καθαρών πηγών ενέργειας, η προστασία των δασών και ο περιορισμός των αερίων ρύπων. Αξίζει να σημειωθεί ότι τα τελευταία δέκα χιλιάδες χρόνια δεν παρατηρήθηκαν θερμοκρασιακές αλλαγές άνω του ενός βαθμού κελσίου μέσα σε ένα αιώνα. Τον 20 ο αιώνα παρατηρήθηκε αύξηση της θερμοκρασίας κατά 0,4-0,8 βαθμούς κελσίου. Η δεκαετία 1990-2000 θεωρείται η θερμότερη για το βόρειο ημισφαίριο και ο Αύγουστος του 2003 ήταν ο θερμότερος στην Ευρώπη προκαλώντας μεγάλο αριθμό θανάτων. 17
Κεφάλαιο 2 Φωτοβολταϊκό σύστημα 2.1. Ιστορική αναδρομή Φωτοβολταϊκό φαινόμενο ονομάζεται η άμεση μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρική τάση. Πολλές φορές, για ευκολία, χρησιμοποιείται η σύντμηση ΦΒ για τη λέξη φωτοβολταϊκό (photovoltaic - PV). Ο όρος «φωτό» προέρχεται από το φως, το δε «βόλτ» οφείλεται στον Ιταλό φυσικό κόμη Alessandro Volta (1745-1827), έναν πρωτοπόρο στη μελέτη του ηλεκτρισμού, ο οποίος εφηύρε την μπαταρία. Η πρώτη γνωριμία του ανθρώπου με το φωτοβολταϊκό φαινόμενο έγινε το 1839 όταν ο Γάλλος φυσικός Edmond Becquerel (1820-1891) κατά την διάρκεια πειραμάτων του με μια ηλεκτρολυτική επαφή φτιαγμένη από δύο μεταλλικά ηλεκτρόδια ανακάλυψε το φωτοβολταϊκό φαινόμενο (βλ. Εικόνα 1). Ο Becquerel κατάφερε την έμμεση μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρική μέσω του φωτοβολταϊκού φαινομένου. Εικόνα 1. Edmond Becquerel Εικόνα 2. Adams Το επόμενο σημαντικό βήμα έγινε το 1876 όταν ο Adams (1836-1915) και ο φοιτητής του Day παρατήρησαν ότι μια ποσότητα ηλεκτρικού ρεύματος παραγόταν από το σελήνιο (Se) όταν αυτό ήταν εκτεθειμένο στο φως (βλ. Εικόνα 2). Το 1877 παρουσίασαν στη Royal Society, την εργασία τους επί των μεταβολών των ηλεκτρικών ιδιοτήτων του στοιχείου του Σεληνίου όταν εκτίθεται στο φως. Στη συνέχεια, το 1883, ο Charles Edgar Fritts, από τη Νέα Υόρκη, κατασκεύασε ένα φωτο-στοιχείο (solar cell) από Σελήνιο παρόμοιο με τα σημερινά στοιχεία. 18
Μια σημαντική ανακάλυψη έγινε επίσης το 1949, όταν οι Mott και Schottky ανέπτυξαν τη θεωρία της διόδου σταθερής κατάστασης. Στο μεταξύ η κβαντική θεωρία είχε ξεδιπλωθεί. Ο δρόμος πλέον για τις πρώτες πρακτικές εφαρμογές είχε ανοίξει. Χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά σε πρακτικούς σκοπούς στα τέλη της δεκαετίας του 1950, αρχικά σε διαστημικές εφαρμογές. Η παραγόμενη ενέργεια κόστιζε τότε περίπου 100 φορές περισσότερο απ ό,τι η ενέργεια που παραγόταν με συμβατικό τρόπο. Το πρώτο ηλιακό κελί ήταν γεγονός στα εργαστήρια της Bell το 1954 από τους Chapin, Fuller και Pearson. Η απόδοσή του ήταν 6% εκμετάλλευση της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας (Καπλάνης, 2004). Το 1958 η τεχνολογία των φωτοβολταϊκών συστημάτων προσαρτάται στο χώρο των διαστημικών εφαρμογών όταν τοποθετήθηκε ένα αυτόνομο φωτοβολταϊκό σύστημα στον δορυφόρο Vanguard I. Το σύστημα αυτό λειτούργησε επιτυχώς για 8 ολόκληρα χρόνια και ήταν ένα από τα πρώτα φωτοβολταϊκά συστήματα. Από το χρονικό αυτό σημείο και μετά, τα φωτοβολταϊκά συστήματα άρχισαν να ενσωματώνονται σταδιακά σε διάφορες εφαρμογές και η τεχνολογία να βελτιώνεται συνεχώς. Το 1962 η μεγαλύτερη φωτοβολταϊκή εγκατάσταση στον κόσμο γίνεται στην Ιαπωνία από τη Sharp, σε έναν φάρο. Η εγκατεστημένη ισχύς του συστήματος είναι 242 W. Τα φωτοβολταϊκά ξεκίνησαν λοιπόν να κάνουν την εμφάνιση τους αλλά λόγω του υψηλού κόστους παραγωγής η εφαρμογή τους ήταν δυνατή μόνο σε ειδικές περιπτώσεις αυτόνομων συστημάτων. Η έρευνα, όμως, προχωρούσε και η απόδοση των φωτοβολταϊκών συνεχώς βελτιωνόταν. Ο κυριότερος πελάτης των φωτοβολταϊκών τις δεκαετίες που ακολούθησαν είναι η NASA (www.selasenergy.gr). Με την πάροδο του χρόνου το κόστος των φωτοβολταϊκών στοιχείων αρχίζει να μειώνεται, έτσι όλο και περισσότερα είδη εφαρμογών με τη χρήση φωτοβολταϊκών συστημάτων γίνονται οικονομικά και ανταγωνιστικά, σε σχέση με τη χρήση συμβατικών μορφών ενέργειας. Παράλληλα, η αυξανόμενη ευαισθησία της κοινής γνώμης για τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις από τις συμβατικές μεθόδους παραγωγής και χρήσης ενέργειας, σε συνδυασμό με τα 19
πλεονεκτήματα των φωτοβολταϊκών συστημάτων, έχει ως αποτέλεσμα αυτά να αποτελούν μια από τις πιο πολλά υποσχόμενες ενεργειακές τεχνολογίες για την αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας (Κουτσούμπας, 2006). Το 2008, το πρώτο εργοστάσιο παραγωγής ηλιακής ενέργειας για εμπορική χρήση με δυνατότητα αποθήκευσης της θερμότητας άνοιξε κοντά στο Γκουαδίς της Ισπανίας, ανατολικά της Γρανάδας. Στη διάρκεια της μέρας, το φως του ήλιου από μια έκταση με κάτοπτρα χρησιμοποιείται για τη θέρμανση τιγμένου άλατος. 2.2. Τι είναι το φωτοβολταϊκό σύστημα Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία μετατρέπουν άμεσα την ηλιακή ενέργεια σε ηλεκτρική. Η ηλεκτρική ενέργεια που παράγουν έχει μορφή συνεχούς ηλεκτρικού ρεύματος και μπορεί να χρησιμοποιηθεί απευθείας ως συνεχές ρεύμα ή να μετατραπεί σε εναλλασσόμενο ρεύμα ή ακόμη και να αποθηκευτεί και να χρησιμοποιηθεί κάποια άλλη στιγμή. Το βασικό στοιχείο ενός φωτοβολταϊκού συστήματος είναι το ηλιακό στοιχείο το οποίο αποτελείται από ημιαγωγό, συνήθως, πυρίτιο. Δεν υπάρχουν κινητές μονάδες σε ένα ηλιακό στοιχείο, η λειτουργία του είναι φιλική προς το περιβάλλον και, αν η συσκευή προστατεύεται σωστά από τις καιρικές συνθήκες, δεν πρόκειται να υποστεί φθορά σε βάθος χρόνου. Καθώς το ηλιακό φως διαχέεται σε ολόκληρο τον πλανήτη, τα φωτοβολταϊκά συστήματα μπορούν να παράγουν ενέργεια οπουδήποτε. Επειδή η πηγή ενέργειας θα διαρκέσει για εκατοντάδες χιλιάδες χρόνια και είναι πολύ δύσκολο να παρέμβουμε στη μεταφορά της, τα φωτοβολταϊκά αναμένεται να αποτελέσουν μακροπρόθεσμα μια πολύ σημαντική πηγή ενέργειας παγκοσμίως. Τα φωτοβολταϊκά συστήματα είναι ευέλικτα και εύχρηστα, επομένως η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειάς τους μπορεί να χρησιμοποιηθεί σχεδόν για οποιαδήποτε εφαρμογή, από ρολόγια χειρός, αριθμομηχανές, συστήματα τηλεπικοινωνιών και μικρούς φορτιστές μπαταρίας έως τεράστιες κεντρικές μονάδες παραγωγής ενέργειας που λειτουργούν μόνο με ηλιακή ενέργεια. Τα 20
φωτοβολταϊκά συστήματα μπορούν να κατασκευαστούν με τη σταδιακή πρόσθεση πάνελ, που προσαρμόζονται εύκολα, σε αντίθεση με τις πιο συμβατικές μεθόδους παραγωγής ενέργειας, όπως είναι οι πυρηνικοί σταθμοί ή οι σταθμοί παραγωγής ενέργειας, που λειτουργούν με ορυκτά καύσιμα, οι οποίοι, για να είναι οικονομικά βιώσιμοι, θα πρέπει να έχουν τη μορφή και το μέγεθος εργοστασιακών μονάδων παραγωγής πολλών MegaWatt (Χαραλαμπόπουλος, 2009). Η όλη κατασκευή του φωτοβολταϊκού πλαισίου (φωτοβολταϊκό φύλλο) είναι ειδικά σχεδιασμένη για υψηλή αντοχή σε μηχανικές καταπονήσεις και εγκατάσταση σε περιβάλλον δυσμενών κλιματολογικών συνθηκών, αποτελούμενο από «στρώματα» διαφορετικών στρώσεων υλικών (επικαλύψεις), καθένα από τα οποία λειτουργεί προστατευτικά. Τα στοιχεία που συγκροτούν το φωτοβολταϊκό πλαίσιο ενθυλακώνονται σε λεπτό διαφανές στρώμα EVA. Η εμπρόσθια επιφάνεια καλύπτεται από ενισχυμένο λευκό γυαλί διαύγειας νερού και η οπίσθια, με ειδικό film PVF. Το μεταλλικό πλαίσιο είναι κατασκευασμένο από ανοδιομένο αλουμίνιο και περιβάλλει το «φωτοβολταϊκό φύλλο». Μεταξύ των δύο, παρεμβάλλεται ελαστικό παρέμβυσμα βουτυλίου, προσδίδοντας ελευθερία μικροκινήσεων και προστασία από θερμικές συστοδιαστολές. Η κατασκευή πρέπει να είναι ιδιαιτέρως ανθεκτική στην υγρασία, την ατμόσφαιρα υψηλής περιεκτικότητας σε άλμη, τις δυνατές κρούσεις χαλαζόπτωσης και τις θερμικές καταπονήσεις. Τα φωτοβολταϊκά πλαίσια τοποθετούνται σε μεταλλικά στηρίγματα κατασκευασμένα από profil αλουμινίου ή από σιδερογωνιές γαλβανισμένες εν θερμώ, ώστε να εξασφαλίζουν αντοχή στην διάβρωση. Όλα τα στηρίγματα συνδέονται με χρήση ανοξείδωτων και περικοχλίων ασφαλείας (Φραγκιαδάκης, 2009). 2.3. Τύποι φωτοβολταϊκών συστημάτων Σε σχέση με το βαθμό ενσωμάτωσής τους τα φωτοβολταϊκά πλαίσια διακρίνονται σε δύο κατηγορίες: α) τυπικά φωτοβολταϊκά πλαίσια (πλαίσιο 21
γυαλιού-ελασμάτων), τα οποία αποτελούν την πιο διαδεδομένη λύση σε εφαρμογές φωτοβολταϊκών συστημάτων πάνω σε στέγες κτιρίων ή σε πολύ μεγάλες φωτοβολταϊκές εγκαταστάσεις στην ύπαιθρο και η κατασκευή τους βασίζεται σε μέθοδο πολυστρωμάτωσης, και β) ημιπερατά φωτοβολταϊκά πλαίσια (κρυσταλλικά πλαίσια γυαλιού-γυαλιού) που επιλέγονται στις περιπτώσεις αρχιτεκτονικής ενσωμάτωσης, όχι μόνο λόγω του ιδιαίτερου σχεδιασμού τους, αλλά και γιατί μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως μονωτικοί υαλοπίνακες, Με βάση το υλικό κατασκευής τους τα φωτοβολταϊκά πλαίσια χωρίζονται σε: α) φωτοβολταϊκά στοιχεία μονοκρυσταλλικού πυριτίου (Single Crystalline Silicon) (βλ. Εικόνα 3). Το πάχος τους είναι γύρω στα 0,3 χιλιοστά. Η απόδοσή τους στη βιομηχανική κατασκευή τους κυμαίνεται από 15-18% για το πλαίσιο. Στο εργαστήριο έχουν επιτευχθεί ακόμα μεγαλύτερες αποδόσεις έως και 24,7%. Τα μονοκρυσταλλικά φωτοβολταϊκά στοιχεία χαρακτηρίζονται από το πλεονέκτημα της καλύτερης σχέσης απόδοση επιφάνεια ή ενεργειακής πυκνότητας. Ένα άλλο χαρακτηριστικό είναι το υψηλό κόστος κατασκευής σε σχέση με τα πολυκρυσταλλικά. Και τα δύο βασίζονται στην ανάπτυξη ράβδου πυριτίου. Εικόνα 3. Φωτοβολταϊκό στοιχείο μονοκρυσταλλικού πυριτίου β) φωτοβολταϊκά στοιχεία πολυκρυσταλλικού πυριτίου (Multi Crystalline Silicon) (βλ. Εικόνα 4). Το πάχος τους είναι επίσης περίπου 0,3 χιλιοστά. Όσο μεγαλύτερες είναι σε έκταση οι μονοκρυσταλλικές περιοχές τόσο μεγαλύτερη είναι και η απόδοση για τα πολυκρυσταλλικά φωτοβολταϊκά κελιά. Σε εργαστηριακές εφαρμογές έχουν επιτευχθεί αποδόσεις έως και 20% ενώ στο 22
εμπόριο τα πολυκρυσταλλικά στοιχεία διατίθενται με αποδόσεις από 13% έως και 15% για τα φωτοβολταϊκά πλαίσια (πάνελ). Εικόνα 4. Φωτοβολταϊκό στοιχείο πολυκρυσταλλικού πυριτίου. γ) φωτοβολταϊκά στοιχεία άμορφου πυριτίου (Amorphous) (βλ. Εικόνα 5). Τα φωτοβολταϊκά αυτά στοιχεία, έχουν αισθητά χαμηλότερες αποδόσεις σε σχέση με τις δύο προηγούμενες κατηγορίες. Πρόκειται για ταινίες λεπτών επιστρώσεων οι οποίες παράγονται με την εναπόθεση ημιαγωγού υλικού (πυρίτιο) πάνω σε υπόστρωμα υποστήριξης, χαμηλού κόστους όπως γυαλί ή αλουμίνιο. Έτσι λόγω της μικρότερης ποσότητας πυριτίου που χρησιμοποιείται η τιμή τους είναι γενικότερα αρκετά χαμηλότερη. Ο χαρακτηρισμός άμορφο φωτοβολταϊκό προέρχεται από τον τυχαίο τρόπο με τον οποίο είναι διατεταγμένα τα άτομα του πυριτίου. Οι επιδόσεις που επιτυγχάνονται χρησιμοποιώντας κυμαίνονται για το πλαίσιο από 6 έως 8% ενώ στο εργαστήριο έχουν επιτευχθεί αποδόσεις ακόμα και 14%. Το σημαντικότερο πλεονέκτημα αυτού του φωτοβολταϊκού στοιχείου είναι το ότι δεν επηρεάζεται πολύ από τις υψηλές θερμοκρασίες. Επίσης, πλεονεκτεί στην αξιοποίηση της απόδοσης του σε σχέση με τα κρυσταλλικά φωτοβολταϊκά, όταν υπάρχει διάχυτη ακτινοβολία (συννεφιά). Εικόνα 5. Φωτοβολταϊκό στοιχείο άμορφου πυριτίου. δ) φωτοβολταϊκά στοιχεία λεπτού φιλμ (thin film): δ1) δισεληνοϊνδιούχος χαλκός (CuInSe2 ή CIS, με προσθήκη γάλλιου CIGS) (βλ. Εικόνα 6). Ο 23
Δισεληνοϊνδιούχος Χαλκός έχει εξαιρετική απορροφητικότητα στο προσπίπτων φως αλλά παρόλα αυτά η απόδοση του με τις σύγχρονες τεχνικές κυμαίνεται στο 11% (πλαίσιο).εργαστηριακά έγινε εφικτή απόδοση στο επίπεδο του 18,8% η οποία είναι και η μεγαλύτερη που έχει επιτευχθεί μεταξύ των φωτοβολταϊκών τεχνολογιών λεπτής επιστρώσεως. Με την πρόσμιξη γάλλιου η απόδοση του μπορεί να αυξηθεί ακόμα περισσότερο CIGS. Το πρόβλημα που υπάρχει είναι ότι το ίδιο υπάρχει σε περιορισμένες ποσότητες στην φύση. Στα επόμενα χρόνια πάντως αναμένεται το κόστος του να είναι αρκετά χαμηλότερο. Σε εργαστηριακές εφαρμογές έχουν επιτευχθεί αποδόσεις έως και 20% ενώ στο εμπόριο διατίθενται με αποδόσεις από 13 έως και 15% για τα φωτοβολταϊκά πλαίσια (πάνελ). Εικόνα 6. Φωτοβολταϊκό στοιχείο δισεληνοϊνδιούχου χαλκού. δ2) τελουριούχο Kάδμιο (CdTe) (βλ. Εικόνα 7). Το Τελουριούχο Κάδμιο έχει ενεργειακό χάσμα γύρω στο 1eV κάτι που του δίνει σοβαρά πλεονεκτήματα όπως την δυνατότητα να απορροφά το 99% της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Οι σύγχρονες τεχνικές όμως μας προσφέρουν αποδόσεις πλαισίου γύρω στο 6-8%. Στο εργαστήριο η απόδοση στα φωτοβολταϊκά στοιχεία έχει φθάσει το 16%. Εικόνα 7. Φωτοβολταϊκό στοιχείο τελουριούχου καδμίου. 24
δ3) αρσενικούχο Γάλλιο (GaAs) (βλ. Εικόνα 8). Το Γάλλιο είναι ένα παραπροϊόν της ρευστοποίησης άλλων μετάλλων όπως το αλουμίνιο και ο ψευδάργυρος. Είναι πιο σπάνιο ακόμα και από τον χρυσό. Το Αρσενικό δεν είναι σπάνιο άλλα έχει το μειονέκτημα ότι είναι δηλητηριώδες. Το αρσενικούχο γάλλιο έχει ενεργειακό διάκενο 1,43eV που είναι ιδανικό για την απορρόφηση της ηλιακής ακτινοβολίας. Η απόδοση του στην μορφή πολλαπλών επαφών (multijunction) είναι η υψηλότερη που έχει επιτευχθεί και αγγίζει το 29%. Επίσης τα φωτοβολταικά στοιχεία GaAs είναι εξαιρετικά ανθεκτικά στις υψηλές θερμοκρασίες γεγονός που επιβάλλει σχεδόν την χρήση τους σε εφαρμογές ηλιακών συγκεντρωτικών συστημάτων (solar concentrators). Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία GaAs έχουν το πλεονέκτημα ότι αντέχουν σε πολύ υψηλές ποσότητες ηλιακής ακτινοβολίας, για αυτό αλλά και λόγω της πολύ υψηλής απόδοσης του ενδείκνυται για διαστημικές εφαρμογές. Το μεγαλύτερο μειονέκτημα αυτής της τεχνολογίας είναι το υπερβολικό κόστος του μονοκρυσταλλικού GaAs υποστρώματος. Εικόνα 8. Φωτοβολταϊκό στοιχείο αρσενικούχου γαλλίου. ε) οργανικά φωτοβολταϊκά στοιχεία (βλ. Εικόνα 9). Τα συνήθη υλικά που χρησιμοποιούνται στη κατασκευή φωτοβολταϊκών στοιχείων είναι ανόργανα, παρόλα αυτά όμως έχει γίνει μεγάλη προσπάθεια τις τελευταίες δεκαετίες για την ανάπτυξη οργανικών φωτοβολταϊκών στοιχείων. Μια σημαντική διαφορά σε σχέση με τους ανόργανους ημιαγωγούς είναι η μικρότερη (μερικές τάξεις μεγέθους μικρότερη) κινητικότητα των φορέων φορτίου, η οποία έχει σοβαρές επιπτώσεις στην απόδοση των οργανικών ημιαγώγιμων συσκευών. Ωστόσο, οι οργανικοί ημιαγωγοί έχουν σχετικά υψηλό συντελεστή απορρόφησης, η οποία εν μέρει εξισορροπεί τα προβλήματα που προκύπτουν από τη χαμηλή κινητικότητα, δίνοντας μεγάλη απορρόφηση ακόμα και σε πολύ λεπτές 25
συσκευές. Τα περισσότερα από τα οργανικά ημιαγώγιμα υλικά έχουν σαν φορείς αγωγιμότητας τις οπές, και έχουν ενεργειακό χάσμα ζωνών γύρω στα 2eV, το οποίο είναι σημαντικά υψηλότερο από εκείνο του πυριτίου και έτσι περιορίζεται η ικανότητα απορρόφησης του ηλιακού φάσματος σε μεγάλο βαθμό. Εικόνα 9. Οργανικό φωτοβολταϊκό κύτταρο. στ) ευαισθητοποιημένες ηλιακές κυψελίδες (dye-sensitized) (βλ. Εικόνα 10). Η ιδέα της ευαισθητοποίησης του ημιαγωγού μιας φωτοηλεκτροχημικής ηλιακής κυψελίδας προέκυψε από την ανάγκη να παρασκευαστεί μια κυψελίδα, η οποία θα είναι χημικά σταθερή υπό συνεχή φωτισμό και θα απορροφά στην ορατή περιοχή του φάσματος. Πολλά οξείδια μετάλλων ικανοποιούν την πρώτη απαίτηση, όμως τα περισσότερα απορροφούν στην υπεριώδη περιοχή. Η επέκταση του φάσματος απορρόφησης αυτών των ημιαγωγών πραγματοποιείται κατά τη διαδικασία της ευαισθητοποίησής τους. Οι ευαισθητοποιημένες ηλεκτροχημικές κυψελίδες, χαρακτηρίζονται από τις ακόλουθες ιδιότητες: Υψηλή μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική. Έχουν επιτευχθεί αποδόσεις μεγαλύτερες του 10%. Χαμηλό κόστος παρασκευής. Η διαδικασία παρασκευής των ευαισθητοποιημένων ηλιακών κυττάρων είναι σχετικά απλή και τα υλικά που χρησιμοποιούνται είναι φθηνά. Επομένως, το κόστος παρασκευής είναι μικρότερο σε σχέση με τα συμβατικά φωτοβολταϊκά στοιχεία. 26
Μεγάλη διαθεσιμότητα υλικών. Τα οξείδια ημιαγωγών όπως το TiO2, ZnO, καθώς επίσης οι χρωστικές και τα σύμπλοκα ιωδίου που είναι απαραίτητα βρίσκονται σε μεγάλη αφθονία. Λιγότερες εκπομπές προς το περιβάλλον. Το TiO2, οι χρωστικές και τα σύμπλοκα ιωδίου που χρησιμοποιούνται για την παρασκευή ευαισθητοποιημένων ηλιακών κυττάρων είναι μη τοξικά. Το μόνο συστατικό που μπορεί να θεωρηθεί επιβλαβές για το περιβάλλον είναι οι οργανικοί διαλύτες που χρησιμοποιούνται στο διάλυμα του ηλεκτρολύτη. Για το λόγο αυτό, οι έρευνες στρέφονται στην ανάπτυξη των στερεών ηλεκτρολυτών. Δυνατότητα ανακύκλωσης. Οι οργανικοί ευαισθητοποιητές, οι οποίοι έχουν προσροφηθεί στο ηλεκτρόδιο, μπορούν να αφαιρεθούν είτε με έκπλυση του ηλεκτροδίου με αλκαλικά διαλύματα είτε με καύση, επιτρέποντας έτσι τη χρήση των ηλεκτροδίων σε νέα ευαισθητοποιημένα ηλιακά στοιχεία (Αποστολοπούλου, 2013). Εικόνα 10. Εύκαμπτη ευαισθητοποιημένη κυψελίδα. ζ) υβριδικά φωτοβολταϊκά συστήματα (βλ. Εικόνα 11). Συνδυάζουν ηλεκτρικό ρεύμα που προέρχεται από πετρελαιογεννήτριες, ανεμογεννήτριες, μικρές υδροηλεκτρικές γεννήτριες και φωτοβολταϊκά συστήματα, ανάλογα με τις ενεργειακές ανάγκες που υπάρχουν, αξιοποιώντας τα γεωγραφικά πλεονεκτήματα της περιοχής. Είναι ιδανικά συστήματα για εφαρμογές σε απομακρυσμένες τοποθεσίες όπως τηλεπικοινωνιακοί σταθμοί και αναμεταδότες, στρατιωτικές εγκαταστάσεις και παραμεθόρια χωριά. 27
Απαραίτητη γνώση για την εγκατάσταση ενός υβριδικού συστήματος είναι η ζήτηση σε ηλεκτρικό ρεύμα όπως και τα γεωγραφικά και τοπολογικά πλεονεκτήματα, οπότε πρέπει να καταμετρηθεί η ηλιακή ενέργεια, ο άνεμος και άλλες πιθανές πηγές σε μία συγκεκριμένη περιοχή. Αυτή η καταμέτρηση θα αποτελέσει την βάση για τον σχεδιασμό ενός υβριδικού συστήματος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας που καλύπτει σε όσον το δυνατόν μεγαλύτερο μέρος τις ανάγκες σε ηλεκτρικό ρεύμα της εγκατάστασης ή της κοινότητας. Εικόνα 11. Υβριδικό φωτοβολταϊκό σύστημα Από τα σημαντικότερα περιβαλλοντικά πλεονεκτήματα της οργανωμένης εγκατάστασης φωτοβολταϊκών γεννητριών διασυνδεδεμένων σε δίκτυο, είναι οι εξαιρετικές δυνατότητες αισθητικής αφομοίωσής τους από το περιβάλλον (www.4green.gr). 2.4. Τρόπος λειτουργίας του φωτοβολταϊκού συστήματος Η παραγωγή του ηλεκτρικού ρεύματος σε ένα φωτοβολταϊκό σύστημα οφείλεται στην ιδιαίτερη συμπεριφορά ορισμένων υλικών, όταν πάνω τους πέφτει ηλιακή ακτινοβολία. Συγκεκριμένα, στοιχεία όπως το γερμάνιο, το σελήνιο και το πυρίτιο αποτελούν τη βάση για τα φωτοβολταϊκά κύτταρα, τα οποία παράγουν ρεύμα για την επίδραση της ηλιακής ακτινοβολίας. Οι αποδόσεις των φωτοβολταϊκών κυττάρων είναι της τάξης του δέκα τοις εκατό 28
(10%), που σημαίνει ότι ένα τεράστιο ποσό ενέργειας διαφεύγει (Κουτσούμπας, 2006). Το ηλιακό φως είναι μικρά πακέτα ενέργειας που λέγονται φωτόνια. Ανάλογα με το μήκος κύματος του ηλιακού φάσματος, τα φωτόνια περιέχουν διαφορετικά ποσά ενέργειας. Όταν λοιπόν προσκρούσουν σε ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο, άλλα ανακλώνται, άλλα το διαπερνούν και άλλα απορροφώνται από το φωτοβολταϊκό. Αυτά τα τελευταία είναι που παράγουν ηλεκτρικό ρεύμα. Τα φωτόνια αυτά αναγκάζουν τα ηλεκτρόνια του φωτοβολταϊκού να μετακινηθούν σε άλλη θέση. Σ αυτή την απλή αρχή της φυσικής βασίζεται η τεχνολογία παραγωγής ηλεκτρισμού (Σύνδεσμος Εταιριών Φωτοβολταϊκών, 2011). Ένα φωτοβολταϊκό σύστημα αποδίδει περισσότερο κατά τους θερινούς μήνες λόγω της αυξημένης ηλιοφάνειας και τους χειμερινούς μήνες µε συννεφιά, λιγότερο. Συνεπώς, δεν έχει σημασία τι καιρό έχει κάθε ημέρα λειτουργίας ξεχωριστά, αλλά πόση ηλιακή ακτινοβολία σωρευτικά συγκεντρώνεται ανά σημείο κατά μία συγκεκριμένη διάρκεια. Γενικά, η απόδοση ενός φωτοβολταϊκού συστήματος σε σχέση µε τη γεωγραφική του θέση, εκτιμάται σύμφωνα µε μέσες τιμές ετήσιας ενεργειακής απόδοσης, που προκύπτουν από επίσημες πηγές καταμέτρησης. Η συνολική απόδοση, όμως, του φωτοβολταϊκού συστήματος θα εξαρτηθεί και από την επιλογή εξοπλισμού και μηχανισμών εγκατάστασης (www.attica-oikoenergeia.gr/catalogue/flyer.pdf). 2.5. Χρήση φωτοβολταϊκών 2.5.1. Στην Ελλάδα Η χώρα μας έχει προικιστεί ευνοϊκά σε ανεξάντλητες πηγές ενέργειας, αυτές όμως συμμετέχουν σε πολύ μικρό ποσοστό στο ενεργειακό μας ισοζύγιο (Τσιλιγιρίδης, 2008β). Η Ελλάδα βρίσκεται σε πλεονεκτικότερη θέση σχετικά με τις άλλες ευρωπαϊκές χώρες για την ανάπτυξη και εφαρμογή των φωτοβολταϊκών 29
συστημάτων, διότι διαθέτει υψηλά επίπεδα ηλιοφάνειας σχεδόν όλο το χρόνο (βλ. Εικόνα 12). Εικόνα 12. Διαβάθμιση από τη χαμηλότερη παραγωγή ηλιακής ενέργειας έως την υψηλότερη Επιπλέον, λόγω του πλήθους των νησιωτικών περιοχών, οι οποίες δεν είναι συνδεδεμένες με το δίκτυο της ΔΕΗ, η λύση των φωτοβολταϊκών συστημάτων καθίσταται ιδιαίτερα ανταγωνιστική από οικονομική άποψη. Παρ όλα αυτά, η Ελλάδα εμφανίζεται να βρίσκεται στις τελευταίες θέσεις μεταξύ των μελών του Διεθνούς Οργανισμού Ενέργειας όσον αφορά τα εγκατεστημένα φωτοβολταϊκά συστήματα (Κουτσούμπας, 2006). Με πιο απλά λόγια, η Ελλάδα: Διαθέτει πλούσιο ηλιακό δυναμικό, από τα καλύτερα στην Ευρώπη Δίνει προτεραιότητα στην πώληση της παραγόμενης ενέργειας στο διαχειριστή συστήματος Η τιμή αγοράς της παραγόμενης ενέργειας (feed in tariffs), είναι ακόμη υψηλή Προσφέρει 20ετής συμφωνία αγοράς ενέργειας (Power Purchase Agreement, PPA) και 30
Διασφαλίζει την αξιοπιστία του επενδυτικού περιβάλλοντος με το ευνοϊκό και μακροπρόθεσμο νομικό της πλαίσιο (Τ.Ο.Τ.Ε.Ε. 20701-3/2010 Κλιματικά δεδομένα Ελληνικών περιοχών). Η Ελλάδα χαρακτηρίζεται από το μεσογειακό τύπο του εύκρατου κλίματος, έχοντας ήπιους υγρούς χειμώνες και ζεστά ξηρά καλοκαίρια (βλ. Εικόνα 13). Το κλίμα της χώρας μπορεί να διαιρεθεί σε τέσσερις βασικές κατηγορίες: Κλίμα Υγρό μεσογειακό Ξηρό μεσογειακό Ηπειρωτικό Ορεινό Περιοχές Δυτική Ελλάδα, δυτική Πελοπόννησος, πεδινά και ημιορεινά της Ηπείρου Κυκλάδες, παραλιακή Κρήτη, Δωδεκάνησα, ανατολική Πελοπόννησος, Αττική, πεδινές περιοχές Ανατολικής Στερεάς Ελλάδας Δυτική Μακεδονία, εσωτερικά υψίπεδα ηπειρωτικής Ελλάδας, βόρειος Έβρος Ορεινές περιοχές με υψόμετρο περίπου >1500 m στη βόρεια Ελλάδα, >1800m στην Κεντρική Ελλάδα και >2000m στην Κρήτη Εικόνα 13. Χάρτης κλιματικών περιοχών της Ελλάδας 31
Οι θερμοκρασίες είναι σπάνια υπερβολικές στις παραθαλάσσιες περιοχές. Στις κλειστές εσωτερικές πεδιάδες και στα υψίπεδα της χώρας παρατηρούνται τα μεγαλύτερα θερμοκρασιακά εύρη, τόσο ετήσια όσο και ημερήσια. Οι χιονοπτώσεις είναι κοινές στα ορεινά από τα τέλη Σεπτεμβρίου στη βόρεια Ελλάδα και τα τέλη Οκτωβρίου κατά μέσο όρο στην υπόλοιπη χώρα, ενώ στις πεδινές περιοχές χιονίζει κυρίως από το Δεκέμβριο μέχρι τα μέσα Μαρτίου. Στις παραθαλάσσιες περιοχές των νησιωτικών περιοχών οι χιονοπτώσεις συμβαίνουν σπανιότερα και δεν αποτελούν βασικό χαρακτηριστικό του κλίματος. Οι καύσωνες επηρεάζουν κυρίως τις πεδινές περιοχές και είναι συχνότεροι τον Ιούλιο και τον Αύγουστο. Σπάνια, πάντως, διαρκούν περισσότερες από 3 ημέρες. Η Ελλάδα βρίσκεται μεταξύ του 34 ου και 42 ου παραλλήλου του βορείου ημισφαιρίου και έχει μεγάλη ηλιοφάνεια σχεδόν όλο το χρόνο. Λεπτομερέστερα, στις διάφορες περιοχές της Ελλάδας παρουσιάζεται μεγάλη ποικιλία κλιματικών τύπων, πάντα βέβαια μέσα στα πλαίσια του μεσογειακού κλίματος. Αυτό οφείλεται στην τοπογραφική διαμόρφωση της χώρας που έχει μεγάλες διαφορές υψομέτρου (υπάρχουν μεγάλες οροσειρές κατά μήκος της κεντρικής χώρας και άλλοι ορεινοί όγκοι) και εναλλαγή ξηράς και θάλασσας. Έτσι, από το ξηρό κλίμα της Αττικής και γενικά της ανατολικής Ελλάδας μεταπίπτουμε στο υγρό της βόρειας και δυτικής Ελλάδας. Τέτοιες κλιματικές διαφορές συναντώνται ακόμη και σε τόπους που βρίσκονται σε μικρή απόσταση μεταξύ τους, πράγμα που παρουσιάζεται σε λίγες μόνο χώρες σε όλο τον κόσμο. Από κλιματολογικής πλευράς το έτος μπορεί να χωριστεί κυρίως σε δύο εποχές: την ψυχρή και βροχερή χειμερινή περίοδο, που διαρκεί από τα μέσα του Οκτωβρίου και μέχρι το τέλος Μαρτίου και τη θερμή και άνομβρη εποχή, που διαρκεί από τον Απρίλιο έως τον Οκτώβριο. Κατά την πρώτη περίοδο οι ψυχρότεροι μήνες είναι ο Ιανουάριος και ο Φεβρουάριος, όπου κατά μέσον όρο η μέση ελάχιστη θερμοκρασία κυμαίνεται από 5-10 ο C στις παραθαλάσσιες περιοχές, από 0-5 ο C στις ηπειρωτικές περιοχές και σε χαμηλότερες τιμές κάτω από το μηδέν στις βόρειες περιοχές. 32
Οι βροχές, ακόμη και τη χειμερινή περίοδο, δεν διαρκούν για πάρα πολλές ημέρες και ο ουρανός της Ελλάδας δεν μένει συννεφιασμένος καθ' όλη τη διάρκεια του χειμώνα, όπως συμβαίνει σε άλλες περιοχές της γης. Οι χειμερινές κακοκαιρίες διακόπτονται καμιά φορά κατά τον Ιανουάριο και το πρώτο δεκαπενθήμερο του Φεβρουαρίου από ηλιόλουστες ημέρες, τις Αλκυονίδες ημέρες. Κατά αυτήν την περίοδο, λοιπόν, στα νησιά, κυρίως στο νότιο μέρος της χώρας, η θερμοκρασία μπορεί να ξεπεράσει τους 18-20 ο C, στην Αττική τους 13-14 ο C και στη Θεσσαλονίκη ο υδράργυρος μπορεί να ξεπεράσει τους 9 ο C και πολλές φορές ακόμα και τους 10 ο C. Σε άλλες πόλεις, όπως για παράδειγμα στην Αλεξανδρούπολη κατά τις Αλκυονίδες μέρες, η θερμοκρασία ξεπερνάει τους 7-8 ο C, με αποτέλεσμα το χιόνι από τις χιονοπτώσεις του χειμώνα να λιώνει κατά τη διάρκεια της ημέρας. Η χειμερινή εποχή είναι γλυκύτερη στα νησιά του Αιγαίου και του Ιονίου από ότι στη Βόρεια και Ανατολική ηπειρωτική Ελλάδα. Κατά τη θερμή και άνομβρη εποχή ο καιρός είναι σταθερός, ο ουρανός σχεδόν αίθριος, ο ήλιος λαμπερός και δε βρέχει εκτός από σπάνια διαστήματα με ραγδαίες βροχές ή καταιγίδες μικρής γενικά διάρκειας. Η θερμότερη περίοδος είναι το τελευταίο δεκαήμερο του Ιουλίου και το πρώτο του Αυγούστου, οπότε η μέση μέγιστη θερμοκρασία κυμαίνεται από 30 ο C μέχρι 35 ο C. Κατά τη θερμή εποχή οι υψηλές θερμοκρασίες μετριάζονται από τη δροσερή θαλάσσια αύρα στις παράκτιες περιοχές της χώρας και από τους βόρειους ανέμους (ετήσιες) που φυσούν κυρίως στο Αιγαίο. Η άνοιξη έχει μικρή διάρκεια, διότι ο μεν χειμώνας είναι όψιμος, το δε καλοκαίρι, αρχίζει πρώιμα. Το φθινόπωρο είναι μακρύ και θερμό και πολλές φορές παρατείνεται στη νότια Ελλάδα και τα νησιά μέχρι τα μισά του Δεκεμβρίου. Μετά τα μέσα του Δεκεμβρίου, αναπτύσσεται ιδιαίτερο ψύχος στις αστικές περιοχές, το οποίο συνεχίζεται έως και τα τέλη Φεβρουαρίου. Από τις αρχές του μήνα Μαρτίου η άνοιξη γίνεται αισθητή και η θερμοκρασία ανεβαίνει σταδιακά (βλ. Πίνακα 1). 33